Giunti nei sistemi di azionamento dei mulini per cemento: esigenze ingegneristiche, realtà applicative e soluzioni prestazionali

Un giunto a ingranaggi, spesso chiamato anche giunto dentato, funziona secondo il principio dell'ingranamento di profili dentati esterni e interni a evolvente per trasmettere la coppia tra le estremità di due alberi. In una configurazione standard, ciascun albero è dotato di un mozzo con denti esterni, mentre un manicotto a forma di cilindro con denti interni si innesta simultaneamente su entrambi i mozzi. Poiché la geometria dei denti consente un piccolo disallineamento angolare e parallelo tra i due componenti accoppiati, il giunto compensa intrinsecamente il disallineamento degli alberi senza generare momenti flettenti distruttivi sulle apparecchiature collegate.

Nel sistema di trasmissione di un mulino a sfere per cemento, questo principio di funzionamento viene applicato in diversi punti critici. L'albero di uscita del motore elettrico si collega all'albero di ingresso di un riduttore tramite un giunto; l'uscita del riduttore si collega all'albero del pignone della ruota dentata principale del mulino tramite un secondo giunto. In ogni punto di giunzione, il giunto deve trasmettere coppie nominali che possono superare i 500.000 Nm negli impianti di grandi dimensioni, assorbendo al contempo le continue oscillazioni angolari che si sviluppano a causa dell'assestamento delle fondazioni pesanti, dei cicli termici che causano l'allungamento dell'albero e dell'usura dei cuscinetti che si accumula nel corso di mesi di funzionamento. Il giunto a ingranaggi gestisce tutto ciò attraverso un contatto controllato e lubrificato dei denti: quando i fianchi dei denti scorrono leggermente durante ogni rotazione per compensare il disallineamento, distribuiscono il carico in modo uniforme anziché concentrare lo stress in un unico punto.

Acciaio legato (42CrMo4 / 34CrNiMo6)

Il materiale standard per mozzi e manicotti di accoppiamento degli ingranaggi utilizzati nei mulini per cemento. Trattato termicamente per ottenere una durezza superficiale di 55-62 HRC sui fianchi dei denti, mantenendo al contempo un nucleo tenace e duttile. Questa combinazione resiste alla fatica da vaiolatura sotto le elevate sollecitazioni di contatto di Hertz che si generano quando la coppia nominale completa viene trasmessa attraverso un numero ridotto di denti degli ingranaggi caricati simultaneamente.

Ghisa duttile (EN-GJS-600-3)

Utilizzato per la boccola esterna del cilindro e i componenti della flangia nelle applicazioni di azionamento ausiliario per cemento di media portata. Offre eccellenti caratteristiche di smorzamento delle vibrazioni ed è significativamente meno costoso da lavorare rispetto all'acciaio legato, il che lo rende adatto ad applicazioni in cui i picchi di coppia sono moderati e la riduzione del peso è una priorità secondaria.

Elastomeri sigillanti ad alte prestazioni (NBR / FKM)

Le guarnizioni in gomma nitrilica (NBR) sono standard laddove la compatibilità con il grasso lubrificante è la principale preoccupazione. Nei cementifici, dove si verificano temperature elevate in prossimità delle zone calde dei forni, vengono specificate guarnizioni in fluoroelastomero (FKM) con una temperatura nominale di 200 °C. Questi materiali mantengono il lubrificante all'interno e la polvere di cemento all'esterno: un obiettivo semplice ma con profonde implicazioni per la durata del giunto nella pratica.

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Densità di coppia eccezionale

I giunti a ingranaggi trasmettono coppie per unità di diametro esterno superiori a praticamente qualsiasi altro tipo di giunto flessibile. Per i mulini a sfere per cemento, dove le coppie nominali sull'albero superano regolarmente i 200.000 Nm e lo spazio di installazione è limitato dalla geometria della flangia del mulino, questo vantaggio in termini di densità di coppia non è un beneficio marginale, bensì è spesso il fattore determinante che consente l'installazione di un giunto a ingranaggi laddove un giunto a ganasce o a disco non potrebbe essere utilizzato.

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Tolleranza di disallineamento angolare e parallelo

I giunti a ingranaggi standard tollerano disallineamenti angolari fino a 1,5° per ogni ingranaggio e disallineamenti paralleli di diversi millimetri, a seconda del diametro del foro. Negli impianti di cemento, dove le vibrazioni delle fondamenta e i movimenti dell'albero indotti termicamente sono una realtà costante, questa capacità di compensazione del disallineamento protegge i cuscinetti del riduttore e del motore dai carichi radiali e flessionali aggiuntivi che un collegamento rigido imporrebbe. Gli ingegneri impiantisti del Regno Unito, a Sheffield e Birmingham, conoscono bene il costo dei guasti prematuri dei cuscinetti causati dalle forze di disallineamento trasmesse dal giunto.

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Elevata capacità di sovraccarico e di resistenza agli urti.

I mulini a sfere generano forti carichi d'urto all'avvio, quando la carica di macinazione fissa viene messa in movimento. I giunti a ingranaggi, progettati per sopportare coppie di picco da 2,0 a 3,5 volte superiori al valore nominale, assorbono questi eventi transitori senza l'accumulo di danni da fatica che si verifica nei giunti con elementi flessibili. Il contatto tra i denti in acciaio fornisce un percorso di coppia positivo senza elementi di assorbimento di energia soggetti a degrado, il che significa che la capacità di carico d'urto del giunto non diminuisce nel corso degli anni di servizio, come inevitabilmente accade con i giunti elastomerici.

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Intervalli di manutenzione prolungati

Gli arresti programmati per manutenzione degli impianti di cemento si verificano in genere a intervalli annuali o biennali. Un giunto a ingranaggi con una corretta lubrificazione iniziale, guarnizioni di tenuta adeguate e un grasso idoneo può funzionare regolarmente per l'intera campagna annuale senza interventi, arrivando talvolta a due anni tra una rilubrificazione e l'altra nei modelli ben sigillati. Questa caratteristica di bassa manutenzione si allinea perfettamente con il modello operativo dell'industria cementiera del Regno Unito, dove gli arresti non programmati comportano costi di gran lunga superiori al valore di capitale del giunto stesso.

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Resistenza alla polvere e alla contaminazione

La struttura chiusa e sigillata di un giunto a ingranaggi correttamente specificato impedisce l'ingresso di polvere di cemento – un materiale con una durezza Mohs di circa 6,0 – nella zona critica di ingranamento dei denti. Laddove i giunti aperti o le alternative con una tenuta inadeguata consentono alla polvere abrasiva di penetrare tra le superfici di ingranamento, i tassi di usura aumentano esponenzialmente e il guasto del giunto si verifica in pochi mesi anziché in anni. I sistemi di tenuta con grado di protezione IP65 sono disponibili di serie presso produttori di qualità, soddisfacendo i requisiti di protezione della maggior parte degli ambienti degli impianti di cemento del Regno Unito.

Scenario applicativo 1: Sistema di azionamento principale del mulino a sfere per cemento

L'azionamento principale del mulino a sfere è l'accoppiamento più critico in un cementificio. I motori primari, con potenze comprese tra 1.000 kW e 6.000 kW, trasmettono la potenza attraverso un riduttore all'albero del pignone del mulino, che ingrana con una grande corona dentata aperta imbullonata al corpo del mulino. L'accoppiamento all'interfaccia motore-riduttore deve sopportare la coppia massima del motore in modo continuo, compensando al contempo il leggero disallineamento angolare che si verifica a causa della flessione della struttura di supporto in acciaio del mulino sotto carichi termici e dinamici nel corso di una campagna produttiva.

Negli impianti delle West Midlands, dove si produce cemento per il settore edile a servizio di importanti programmi infrastrutturali, la produzione è continua, con brevi interruzioni programmate. Un giunto di trasmissione progettato per questo tipo di impiego presenta in genere un fattore di servizio da 1,8 a 2,5 applicato alla coppia nominale del motore, garantendo margini di sicurezza anche durante gli avviamenti diretti del motore, in cui le coppie di spunto possono superare brevemente 2,5 volte la coppia nominale. La capacità del giunto di gestire questo evento senza subire danni da fatica, giorno dopo giorno per tutta la durata di un ciclo produttivo annuale, è ciò che giustifica il suo costo superiore rispetto alle alternative con caratteristiche inferiori.

Scenario applicativo 2: Trasmissione del motore del mulino a rulli verticale (VRM)

I mulini a rulli verticali rappresentano lo standard moderno per la macinazione di materie prime e cemento nei nuovi impianti nel Regno Unito e in Europa. A differenza dei mulini a sfere, i mulini a rulli verticali trasmettono la coppia motrice verso il basso attraverso un albero verticale, con il piano di macinazione posizionato direttamente sull'uscita del riduttore. L'accoppiamento tra il motore elettrico e l'ingresso del riduttore del mulino a rulli verticali opera in posizione verticale e deve sopportare non solo la coppia nominale continua, ma anche gli impulsi d'urto intermittenti generati dal passaggio di frammenti minerali duri (i noduli di selce rappresentano una sfida nota in diverse cave di gesso del Regno Unito) attraverso la zona di macinazione, creando improvvisi picchi di carico.

Nel Regno Unito, i giunti a ingranaggi per applicazioni VRM sono spesso specificati con un profilo del dente bombato su tutta la larghezza della faccia dell'ingranaggio, anziché una semplice bombatura solo sulle punte dei denti. Questa geometria a bombatura completa distribuisce le sollecitazioni di contatto in modo più uniforme in caso di deflessione angolare, riducendo la pressione di Hertz di picco sui bordi dei denti: un aspetto progettuale fondamentale, poiché il contatto sui bordi è la causa principale di guasti prematuri dei giunti nelle installazioni verticali, dove gli effetti della gravità creano una distribuzione non uniforme del carico sulla faccia dell'ingranaggio.

Scenario applicativo 3: Giunto di azionamento per la pre-rettifica della pressa a rulli

Le presse a rulli, note anche come rulli di macinazione ad alta pressione (HPGR), vengono sempre più spesso impiegate a monte dei mulini a sfere negli impianti di cemento del Regno Unito come fase di pre-macinazione che riduce il consumo energetico specifico. Ogni rullo di una pressa HPGR è azionato da un motore e un riduttore dedicati tramite un giunto, e le condizioni operative sono caratterizzate da coppia elevata, velocità moderata e carico radiale estremamente elevato sui cuscinetti dei rulli dovuto alle forze di compressione interparticellari. Il giunto deve quindi trasmettere la coppia nominale mentre l'albero di uscita del riduttore collegato si flette sotto i carichi radiali dei cuscinetti: una condizione che genera un disallineamento angolare continuo nell'ingranamento del giunto che deve essere compensato senza generare momenti flettenti eccessivi sul cuscinetto di uscita del riduttore.

Gli ingegneri degli impianti siderurgici di Sheffield, impegnati nella consulenza per la manutenzione di gruppi cementifici del Regno Unito, hanno notato che i giunti di azionamento delle presse a rulli sono tra i componenti più frequentemente specificati in modo errato negli impianti HPGR. La scelta di un giunto con una capacità di disallineamento insufficiente rispetto alla flessione effettiva durante il funzionamento – che può differire significativamente dall'allineamento ottenuto durante l'installazione a freddo – è responsabile di una percentuale significativa di guasti prematuri dei cuscinetti del riduttore in questi impianti. Un giunto a ingranaggi correttamente specificato con un'adeguata capacità di disallineamento elimina completamente questa modalità di guasto.

Scenario applicativo 4: Azionamento ausiliario del forno e accoppiamento della ventola del mulino per materie prime

Oltre agli azionamenti principali dei mulini, gli impianti di cemento contengono numerose applicazioni di trasmissione di potenza secondarie in cui i giunti a ingranaggi offrono prestazioni preziose. Gli azionamenti ausiliari dei forni, utilizzati per la rotazione lenta durante la manutenzione e per il raffreddamento controllato dopo gli arresti dei forni, operano a velocità molto basse con elevati carichi di coppia intermittenti, richiedendo giunti che rimangano affidabili e mantengano il lubrificante anche in caso di utilizzo poco frequente. I ventilatori di aspirazione indotti dai mulini per la grezza, con portate da 200.000 a 600.000 m³/h, sono azionati da motori con potenze comprese tra 300 kW e 2.000 kW tramite giunti che devono gestire il funzionamento a velocità variabile degli azionamenti a frequenza variabile, mantenendo al contempo la stabilità in tutti i punti di funzionamento dell'intero intervallo di velocità.

Nel contesto del Regno Unito, la legislazione sull'efficienza energetica e i meccanismi di tariffazione del carbonio che interessano i produttori di cemento britannici hanno accelerato l'adozione di sistemi di azionamento a frequenza variabile (VFD) per ventilatori e pompe. I giunti a ingranaggi utilizzati con apparecchiature azionate da VFD devono essere controllati per la risonanza torsionale nell'intero intervallo di velocità di funzionamento, poiché le uscite dei VFD contengono armoniche che possono eccitare frequenze naturali torsionali e causare danni da fatica nei giunti che risultano adeguati al funzionamento a velocità fissa. Questo requisito di analisi aggiunge un livello di sofisticazione ingegneristica che i team di ingegneri impiantisti britannici esperti integrano ormai di routine nel loro processo di specifica dei giunti.

Giunto a molla a serpente serie JSA

La serie JSA utilizza un elemento elastico a serpentina in acciaio avvolto in modo speciale che si infila attraverso scanalature alternate in due flange opposte. Questa geometria elastica unica offre un'eccezionale flessibilità torsionale, smorzando significativamente i carichi d'urto e le fluttuazioni cicliche di coppia che si verificano durante le fasi di avviamento del mulino a sfere. Il design è particolarmente apprezzato nelle applicazioni in cui l'isolamento dalle vibrazioni tra l'apparecchiatura motrice e quella azionata è una priorità, unitamente a una trasmissione affidabile della coppia.

Visualizza la serie JSA →

Giunto universale serie SWC

Il giunto universale della serie SWC è progettato per applicazioni che richiedono un'ampia compensazione angolare tra alberi non paralleli, una sfida comune nei sistemi ausiliari degli impianti di cemento, dove i componenti di azionamento sono disallineati da vincoli architettonici o dove l'albero condotto segue un percorso non orizzontale. Con angoli di lavoro fino a 25° e una robusta struttura con giunto cardanico in acciaio legato, la serie SWC garantisce una trasmissione di coppia affidabile e duratura, anche in presenza di deviazioni angolari impossibili da gestire con i giunti flessibili convenzionali.

Visualizza la serie SWC →

Ever Power: Capacità di produzione di precisione e personalizzazione

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"Avevamo dato per spacciato quel sistema di azionamento del mulino, considerandolo un punto debole cronico. Il giunto a ingranaggi Ever Power ha cambiato completamente la situazione. Dopo diciotto mesi, non si è verificato un solo arresto imprevisto attribuibile al giunto, e le condizioni del grasso all'ispezione dei 12 mesi erano praticamente pari al nuovo. Il foro e la sede della chiavetta, realizzati su misura, sono stati lavorati esattamente secondo i nostri disegni."

James R., Ingegnere meccanico capo

Impianto di macinazione del cemento, West Midlands, Regno Unito

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"L'assistenza tecnica fornita da Ever Power prima e durante la selezione del giunto è stata eccezionale, tanto quanto il prodotto stesso. Ci hanno posto le domande giuste sulla frequenza di avviamento, sulla storia della lubrificazione e sulle condizioni ambientali, domande che i fornitori generici non si preoccupano mai di fare. Il giunto che ci hanno consigliato gestisce il motore della nostra pressa a rulli senza problemi di vibrazione in nessun punto di carico."

Sarah T., Responsabile della manutenzione dello stabilimento

Impianto di produzione di clinker, Yorkshire, Regno Unito

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"La consegna presso la nostra sede di Sheffield è avvenuta nei tempi concordati, nonostante l'ordine includesse diametri interni non standard. La precisione dimensionale dei mozzi è stata eccellente: si sono montati direttamente sull'albero del cambio senza necessità di lavorazioni aggiuntive in loco, aspetto fondamentale quando si lavora entro una finestra di manutenzione programmata ristretta. Ci rivolgeremo nuovamente a Ever Power per il nostro prossimo ciclo di approvvigionamento."

Mike H., responsabile delle apparecchiature rotanti

Lavorazione dei minerali e produzione di cemento, Sheffield, Regno Unito